基于MSC8156AMC平臺的PRACH基帶信號生成

摘要：MSC8156AMC具有很強大的處理能力，是LTE解決方案的理想平臺，系統基于此平臺實現。LTE系統中采用PRACH信道實現物理隨機接入，PRACH基帶信號生成包含有DFT和長序列的IFFT過程，具有很高的時間復雜度，為滿足LTE系統的實時性要求，要選擇低運算量的信號處理方案。根據PRACH前導序列的特點，DFT運算可以通過適當的變形采用查表方式實現，避免了大量的復數乘運算。長序列IFFT運算通過Cooley-Turkey算法分解為多級短序列IFFT，減少了運算量。上述方案滿足了系統的實時性要求。
關鍵詞：LTE；PRACH；物理隨機接入；Cooley-Turkey算法；MSC8156AMC

0 引言
LTE項目是3G的演進，始于2004年3GPP的多倫多會議。LTE不同于3G的碼分多址傳輸技術，采用頻譜效率更高的OFDM／FDMA技術，主要從降低每比特成本，擴展業務提供能力，靈活使用現有的和新的頻段，簡化架構，開放接口，實現合理的終端消耗等方面考慮。LTE系統的主要需求指標包括：在20 MHz系統帶寬下，提供下行100 Mb／s和上行50 Mb／s的瞬時峰值速率；用戶面延遲小于5 ms控制面延遲小于100 ms；有更好的移動性，針對低速移動(小于15 km／h)優化，高速移動(低于120 km／h)下實現高性能，在大于120 km／h時可以保持蜂窩網絡的移動性；支持最大100 km的小區覆蓋；靈活的頻譜分配，支持最小1．4 MHz，最大20 MHz系統帶寬。
在移動通信系統中，隨機接入是用戶終端和網絡建立穩定連接，進行正常通信的首要步驟。隨機接入可以分為同步隨機接入和非同步隨機接入，同步隨機接入是在用戶終端已經與系統取得上行同步時的接入過程，相反，非同步隨機接入是用戶終端尚未和系統取得或丟失了上行同步時的接入過程，因此非同步隨機接入區別于同步隨機接入的一個特點就是要估計、調整用戶終端上行發送時鐘，將同步誤差控制在循環前綴(CP)長度之內。LTE系統通過物理隨機接入信道(PRACH)完成非同步隨機接入過程中隨機接入前導(Preamble)的發送。3GPP物理層協議規范中針對不同的小區覆蓋半徑需求，設計了多種PRACH Preamble格式，其中Preamble Format 0，1，2，3對FDD LTE和TD-LTE是通用的，Preamble Format 4是針對TD-LTE特殊幀結構設計的，用于小區半徑較小時的熱點覆蓋場景。
要獲得LTE較高的技術需求指標，對基帶信號的處理芯片提出了更高的要求。飛思卡爾半導體公司的MSC8156AMC是一種高密度、Advanced MezzanineCard(AMC)DSP平臺，構建于3個MSC8156 DSP(18個SC3850 DSP內核)基礎之上，可插入緊湊型MicroTCA底板。這種18 GHz的處理能力與無線基礎架構應用的高度優化架構相結合，使其成為開發基于下一代無線標準解決方案的理想平臺。
MSC8156AMC基帶處理器卡的特性包括：
(1)處理器：多達3個MSC8156 6核StarCoreDSP，高達1．0 GHz的主頻；
(2)內存：每個MSC8156有2×512 MB的64 bDDR3內存；
(3)4個串行Rapid I／O(SRIO)接口以及2個1000Base-X背板接口。
另外，飛思卡爾針對3GPP標準中定義的物理基帶信道處理和無線傳輸信道功能，提供了LTE物理層支持軟件庫，包括一個定制的操作系統SmartDSP、驅動和主要的信號處理功能模塊(包括：調制、信道編碼、傳輸方案、MIMO／分集、信道估計、信道均衡等)，這些信號處理模塊基本覆蓋了物理層上下行鏈路共享信道，它們以SmartDSP實時操作系統為參考實時運行。

1 PRACH信道處理
在LTE系統中，用戶終端通過發送Preamble獲取上行鏈路定時同步，完成與網絡非同步隨機接入。
LTE系統中PRACH Preamble采用Zadoff-Chu(ZC)序列，包括序列(Sequence)和CP兩部分。CP的作用是抗多徑時延擴展，最大限度地消除載波間和符號間的干擾。PRACH信道在LTE系統中是非常重要的信道，使用非常頻繁，合理的PRACH信道可以提高整個網絡的覆蓋性能。因此，為了適應不同的小區覆蓋場景，盡可能降低PRACH信道的資源開銷，設計了5種Preamble Format，它們具有不同的CP長度和Sequence長度。
每個小區中存在64個可用的前導信號序列。64個序列中有兩個子集，其中每個子集中的一系列序列將被作為系統信息信令的一部分。在執行基于競爭的隨機接入時，用戶終端隨機選擇一個序列隨機接入嘗試，只要其他的UE沒有采用相同的序列，就不會發生沖突并且該嘗試在很大概率上可以被eNodeB檢測到。如果用戶終端請求自由競爭的隨機接入，需要選擇自由競爭的前導信號。前導信號序子集的選擇是由用戶終端在上行共享信道(UL-SCH)發送的數據量定的。
時間連續的隨機接入信號s(t)定義如下：

式中：0≤tTSEQ+TCP；βPRACH是功率控制所需要的幅度縮放因子；xu,v是循環偏移之后的ZC序列。，頻域位置由參數控制，表示為高層配置的資源塊數目，△fRA是隨機接入前導的子載波間隔，變量φ是一個固定偏移值，表示資源塊中隨機接入前導的頻域位置。
從式(1)中可以看到，基帶信號生成過程如圖1所示。

由圖1可知，時間復雜度比較高的運算是DFT和IDFT運算，下面重點分析這兩個過程的優化處理以及在MSC8156AMC平臺的具體實現方式。